Фосфорная кислота для чего используется
Фосфорная кислота [H3PO4]: Структура | Свойства | Применение
В чистом виде фосфорная кислота представляет собой бесцветное твердое вещество. В менее концентрированном виде это вязкая жидкость без запаха с плотностью 1,885 г/мл. Обычно она нелетучая и нетоксична, но 85-процентный раствор по-прежнему может повредить глаза и вызвать сильное раздражение кожи.
Давайте копнем глубже и выясним, как образуется фосфорная кислота, как она выглядит на молекулярном уровне, каковы ее физические и химические свойства и где она используется.
Профиль фосфорной кислоты
Молярная масса: 97,994 г/моль
Внешний вид: густая бесцветная жидкость.
Точка кипения: 212 °C
Точка плавления: 42,35 °C (кристаллического твердого вещества)
Динамическая вязкость: от 2,4 до 9,4 сантипуаз (85% водный раствор).
Плотность: 1,83 г / см 3 (твердое вещество); 1,68 г / см 3 (85% водный раствор при 25 °C)
Структура
Соединение H3PO4 имеет в общей сложности 32 валентных электрона. Поскольку фосфор является наименее электроотрицательным, он помещается в центре. Атомы водорода присоединяются к внешней стороне атомов кислорода, образуя он-Группы.
В этой структуре каждый атом имеет полную внешнюю оболочку: атомы фосфора и кислорода имеют восемь валентных электронов, а атомы водорода имеют вокруг себя два валентных электрона.
В структуре все еще есть 32 валентных электрона, и каждый атом имеет формальный заряд, равный нулю. Таким образом, это наиболее вероятная или вероятная структура Льюиса для H3PO4.
Соединение содержит 3 одинарные связи ОН, 3 одинарные связи PO и 1 двойную связь P = O. Каждая одинарная связь является сигма-связью, а двойная связь состоит из сигма-связи и пи-связи.
Фосфорная кислота: шарообразная модель и размеры структурной формулы
Молекулярная геометрия PO (OH)3 является тетраэдрической, а кристаллическая структура-моноклинной. А поскольку распределение зарядов на центральных атомах асимметрично, то молекула считается полярной.
Последние достижения в области нанотехнологий, включая методы поглощения рентгеновских лучей вблизи краев и методы рассеяния рентгеновских лучей под большим углом, позволили ученым точно определить структуру фосфорной кислоты. Расстояние связи P=O в структуре близко к 152 пикометрам, и расстояния P=O-O были уточнены до 309 пикометров, с углом связи близким к тетраэдрическому.
Как она производится?
Фосфорная кислота может быть синтезирована либо мокрым способом, либо термическим способом.
В последнем в качестве сырья используются воздух, вода и элементарный фосфор. Он включает в себя три важных этапа: сгорание, увлажнение и запотевание. Вот как это происходит:
Во-первых, жидкий элементарный фосфор сжигается в камере сгорания при высоких температурах в диапазоне от 1650 до 2760 °C. Эта реакция окисления происходит в окружающем воздухе и производит пятиокись фосфора.
Затем продукт гидратируют водой с образованием сильной фосфорной кислоты (в жидком состоянии).
На последнем этапе для удаления фосфорно-кислотного тумана из потока дымовых газов используются высоконапорные каплеуловители.
Концентрация фосфорной кислоты, синтезированной в этом процессе, обычно составляет от 75 до 85 процентов. Такие уровни концентрации необходимы для производства высококачественной химической продукции. Несколько эффективных установок извлекают чрезвычайно концентрированную фосфорную кислоту (до 99,9%), используя тот же тепловой процесс.
Однако почти 80% фосфорной кислоты производится мокрым способом. В этом методе серная кислота обрабатывается природным фосфатсодержащим минералом, таким как гидроксиапатит.
Минерал высушивают, крошат, а затем подают в реактор вместе с серной кислотой. В результате реакции сульфат сливается с кальцием (из минерала), образуя сульфат кальция (гипс).
Затем добавляется обработанная вода, и гипс вместе с другими нерастворимыми примесями удаляется через фильтр. Фосфорная кислота, полученная этим мокрым способом, содержит 25-30% пятиокиси фосфора.
Обычно эта кислота дополнительно концентрируется, чтобы соответствовать требованиям, предъявляемым к производству удобрений. В большинстве случаев фосфорная кислота концентрируется до 40-55% пятиокиси фосфора с помощью двух / трех вакуумных испарителей.
Свойства
Чистая фосфорная кислота в лаборатории выглядит как плотное, бесцветное, бесформенное кристаллическое твердое вещество, которое плавится при температуре 42,35 °C. Ее физические свойства зависят от чистоты, концентрации кислоты, а также от температуры, при которой вы ее видите.
Фосфорная кислота менее агрессивна и менее опасна по сравнению с азотной и серной кислотами. Это негорючее вещество как в жидкой, так и в твердой форме.
Когда кислота подвергается воздействию тепла, а затем охлаждается до комнатной температуры, она образует прозрачное, хрупкое стекло. После такого воздействия тепла состав кислоты остается прежним.
Обычно фосфорная кислота выпускается в виде бесцветного сиропа с концентрацией в воде 85 процентов и плотностью 1,885 граммов на миллилитр.
В водном растворе фосфорная кислота действует как трипротовая кислота, имеющая три ионизируемых атома водорода. Соединение может потерять эти атомы в виде протонов (ионов H + ).
Кислота растворима как в воде, так и в этаноле. Однако большинство ее солей не растворимы в воде, если нет сильной минеральной кислоты.
Области применения
Фосфорная кислота имеет несколько важных применений. Ее соли, такие как фосфаты аммония и кальция, широко используются в качестве удобрений. Кислота используется для производства электролитов, средств для удаления ржавчины, модификаторов рН, травителей, бытовых чистящих средств и дезинфицирующих средств.
Поскольку это вещество нетоксично и имеет умеренно кислую природу, оно также используется в напитках, пищевых ароматизаторах, косметике, средствах для ухода за зубами и кожей. Давайте подробнее рассмотрим, чем полезна фосфорная кислота.
В менее концентрированной форме она используется для производства различных видов безопасных фосфорных удобрений, которые помогают растениям расти. Фактически, почти 90% синтезированной фосфорной кислоты используется в качестве удобрений.
Многие безалкогольные напитки, в том числе Coca-Cola, содержат фосфорную кислоту. Это придает напитку слегка кисловатый вкус. Несмотря на то, что его концентрация достаточно низкая, экстремальный прием таких напитков может вызвать эрозию зубов и даже привести к образованию почечных камней.
Фосфорная кислота в качестве электролита имеет полезные характеристики, такие как хорошая ионная проводимость, низкая летучесть, стабильность при относительно высоких температурах и устойчивость к диоксиду углерода и монооксиду углерода.
Поскольку чистая фосфорная кислота обладает высокой протонной проводимостью и превосходной термостабильностью, полибензимидазол (PBI), допированный фосфорной кислотой, является наиболее многообещающим среди мембран на основе PBI, которые могут обеспечить хорошую производительность топливных элементов даже при низком уровне увлажнения и температуре 200 °С.
Специфическое применение фосфорной кислоты:
Глобальный рынок
Многие развивающиеся страны начали сосредотачиваться на увеличении добычи фосфатов и производства фосфатов. Правительства некоторых стран уже сотрудничали с различными поставщиками по всему миру для создания заводов по добыче минералов для производства фосфорной кислоты.
В 2019 году объем мирового рынка фосфорной кислоты оценивался в 45,85 миллиарда долларов. Ожидается, что к 2027 году он достигнет более 61 миллиарда долларов, а совокупный годовой темп роста составит 3,7%.
Рынок подразделяется на Азиатско-Тихоокеанский регион, Европу, Северную Америку, Латинскую Америку, Ближний Восток и Африку. Ожидается, что в ближайшем будущем Азиатско-Тихоокеанский регион будет доминировать на мировом рынке. Рост рынка фосфорной кислоты в этих регионах будет дополнительно подпитываться развитым сельскохозяйственным сектором Индии и Китая.
Ортофосфорная кислота – применение
Ортофосфорная кислота – универсальное вещество, которое применяется во многих сферах деятельности. Чаще всего ее используют для удаления ржавчины с металлических поверхностей.
Что такое ортофосфорная кислота
Что же такое ортофосфорная (фосфорная) кислота? Она относится к неорганическим веществам. При комнатной температуре она приобретает вид ромбических кристаллов. Имеет консистенцию сиропа и представляет собой 85-процентный раствор. Ее кристаллы хорошо растворимы в воде и этиловом спирте.
Это вещество относится к группе антиоксидантов (антиокислителей) и используется как регулятор кислотности. В качестве добавки ей присвоен код Е338.
Описание препарата, характеристики, вредные свойства
Химическая формула вещества – H3PO4. При нагревании вещества до температуры более 213°C оно меняет свой состав и превращается в пирофосфорную кислоту (H4P2O7).
Основным свойством этого химического компонента выступает отсутствие выраженного запаха и цвета. Она обладает хорошей растворимостью в воде и других жидкостях. Образуется она при химическом воздействии на фосфат или же во время применения гидролиза. Ее преимуществом выступает низкая себестоимость (в отличие от лимонной кислоты). В связи с этим ее часто используют в производстве напитков и продуктов питания.
Это вещество негативно влияет на здоровье, повышая кислотность желудочного сока. Людям, страдающим гастритом с повышенной кислотностью, необходимо свести к минимуму или исключить из рациона продукты, содержащие в своем составе такое вещество.
Помимо всего прочего, она способствует выведению из организма кальция, что может негативно сказаться на состоянии зубов и костей. Передозировка этого вещества может спровоцировать нарушения в работе ЖКТ, вызвать тошноту и рвоту.
Получение кислоты
Многие задаются вопросом, как получить кислоту в лабораторных условиях? Существуют различные способы получения ортофосфорной кислоты, наиболее распространенными среди которых являются следующие:
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4
Сa3(PO4)2 + 3H2SO4 = 3CaSO4 + 2H3PO4
3P + 5HNO3+ 2H2O = 3H3PO4+ 5NO
Сфера применения
Ортофосфорную кислоту применяют в таких сферах деятельности, как нефтяная промышленность, стоматология, животноводство. Ее также используют при производстве:
Правила работы с кислотой
Работа с ортофосфорной кислотой должна происходить в помещении с хорошей вентиляцией. Следует обязательно надеть респиратор для предотвращения попадания едких паров в дыхательные пути и очки для защиты глаз. Если нет под рукой этих защитных средств, то следует воспользоваться маской. Обязательно следует надевать перчатки и защищать открытую поверхность кожи от попадания на нее вещества, т. к. это может привести к ожогам. При попадании ее на кожные покровы следует тщательно промыть их под проточной водой, после чего обратиться за медицинской помощью.
Перевозка реагента должна осуществляться в специальном транспорте, оборудованном железными цистернами, не поддающимися ее разрушительному влиянию. Ее можно перевозить и при помощи других транспортных средств, как сухопутных, так и водных. Но при этом должны быть соблюдены все правила техники безопасности.
Хранить ее следует в месте, защищенном от прямого попадания солнечных лучей. Срок хранения при таких условиях составляет не больше 1 года.
Использование кислоты
Применение фосфорной кислоты достаточно широкое. Стоит рассмотреть наиболее популярные методы ее использования.
В медицине
Ее применяют в стоматологии во время пломбирования зубов для протравливания эмали непосредственно перед началом процесса. Эта процедура имеет свои негативные стороны, т. к. контролировать глубину и стадию расщепления эмали невозможно, как и их полное удаление перед пломбированием. Оставшееся после такой процедуры вещество может уменьшить прочность защиты и привести к образованию кислотных остатков на эмали зуба. Эта кислота добавляется в малых дозах в зубные отбеливатели.
Удаление ржавчины с поверхности металла погружным методом и поверхностным нанесением. Преобразователь ржавчины
Преимущество удаления ржавчины ортофосфорной кислотой состоит в том, что она убирает коррозию с металла и создает тонкую пленку на них, защищая от разных внешних воздействий. После покрытия этим веществом металлической поверхности начинается активный процесс разъедания и поглощения оксида железа. Затем на плоскости металла образуется серая пленка маслянистой консистенции.
Существуют различные методы удаления окислов, среди которых можно выделить следующие:
Преобразователь коррозии – это кислотный раствор с различными добавками. Существуют такие виды растворов, в зависимости от используемых в их составе добавок:
К 1 типу относится грунтовка ЭВА-0112, состоящая из основного компонента и 85% раствора вещества. Она выступает основой под покраску.
В состав преобразователя «Цинкарь» входит кислота и соли марганца и цинка. При его применении ржавчина трансформируется в плотный защитный слой. Происходит процесс легирования.
Ортофосфорная кислота для металла
Для очистки или для пайки металлических элементов необходимо проделать следующие операции. Перед полным погружением металлического элемента в ортофосфорный состав, его вначале зачищают от разных видов налета на поверхности, в частности от жиров. Для этого следует промыть деталь с использованием чистящего средства. После этого необходимо растворить 150 мл вещества в 1 л воды и опустить в этот раствор металлический элемент на 1 час, время от времени размешивая жидкость для большей эффективности.
Затем необходимо смыть смесь раствором, который состоит из 50% воды, 2% нашатырного спирта и 48% этанола. После этого элемент нужно ополоснуть под струей водой и хорошо высушить.
Перед тем как нанести распылитель на поверхность валиком или кистью, следует предварительно зачистить поверхность от ржавчины. После нанесения следует немного подождать, а затем смыть смесь нейтрализующим раствором и высушить деталь.
Такие процедуры можно проводить с разными металлами, в т. ч. и алюминием.
Применение в сельском хозяйстве
В сельском хозяйстве используют фосфорную кислоту, добытую из руды, в качестве удобрения. При попадании в грунт, а затем в растения, она помогает им перенести засуху и морозы. При этом почва становится более плодородной и благоприятной для выращивания овощных культур и зелени.
Применение кислоты в быту и пищевой промышленности
Применение кислоты в быту подразумевает ее использование для удаления коррозии с различных поверхностей (за исключением акриловых). Он подходит для обработки эмалированных и фаянсовых поверхностей. Перед нанесением раствора ортофосфорной кислоты металлическую поверхность необходимо обработать моющим средством. Для приготовления раствора следует смешать 1 л воды и 200 г действующего вещества, а затем нанести смесь на обрабатываемую плоскость на 1-12 часов. По прошествии времени смесь необходимо погасить содовым раствором и смыть.
В пищевом производстве применяется как регулятор кислотности.
Техника безопасности при работе с кислотой
При попадании жидкости на слизистые оболочки и кожные покровы может возникнуть головокружение, кашель, рвота, химический ожог. В таком случае следует вызвать врача, промыть пораженный участок, сделать свободную повязку и осуществить нейтрализацию фосфорной кислоты щелочью.
Как правильно хранить и перевозить кислоту
При хранении и транспортировке кислоты следует соблюдать необходимые условия. Хранить ее разрешено только в специальных емкостях:
Фосфорная кислота – агрессивное вещество, в связи с чем порошок следует содержать в изолированной таре. В кислоту не должно попадать инородных веществ. Тара для перевозки и хранения должна быть сухой и чистой.
Чтобы раствор имел нужные свойства, следует соблюдать все условия. При некачественном составе возможно выделение токсичных паров. Помимо всего прочего, такой раствор не сможет защитить поверхность металла от негативного влияния окружающих факторов.
Наиболее подходящее для хранения место – сухое и теплое. Не подойдут для этой цели сырые места, в которых образуется большое количество конденсата. Нежелательно пересыпать порошкообразное средство в другие емкости. Лучше всего хранить его в первоначальной упаковке.
Т. к. это вещество принадлежит к разряду опасных, то при его перевозке на дальние расстояния требуется заполнение сопроводительной документации.
Срок хранения фосфорной кислоты составляет 1 год с момента изготовления.
Температура замерзания 85% раствора составляет – 21°С. Температура плавления + 42°С.
Читайте также:
Как чистят семечки на производстве, зависит от того, какие семена требуется избавить от несъедобной части.…
Фосфорная кислота. Свойства, добыча, применение и цена фосфорной кислоты
Веселье приносит и вкус бодрящий. Фраза из рекламы «Кока-Колы» не раскрывает нюансов бодрящего вкуса напитка.
Значит ли это, что кислота в газировке полезна? Разберемся в вопросе, рассмотрев весь комплекс свойств соединения.
Свойства фосфорной кислоты
В твердом виде соединение не практично, посему, переводится людьми в раствор фосфорной кислоты. Ее полное название – ортофосфорная.
Это значит, что в кислоте наибольшее число гидроксогрупп, а конкретно 3OH. Формула соединения: — H3PO4.
Существуют, так же, метофосфорная кислота с одной гидроксогруппой и пирофосфорная.
Итак, просто фосфорной кислотой принято называть соединение с приставкой «орто». Это наиболее известный и распространенный реагент.
Растворяясь в воде, вещество делает ее вязкой, тягучей. Причина – цепляние молекул друг за друга. Вместо рук – водородные связи.
Если говорить о концентрации раствора, фосфорным принято называть 85-процентный. Для сильных кислот это, как говорится, ударная доза.
Но, героиня статьи к сильным не относится. Химическая активность соединения средняя.
Одна из причин малой реакционности – нерастворимость солей фосфорной кислоты.
В итоге, кислота не может пробиться к металлу. Реакция заканчивается, едва начавшись.
Состав фосфорной кислоты дает нерастворимую соль и при взаимодействии с оксидами металлов. Реакция тоже зачаточна.
Со щелочами реакция возможна лишь при правильном соотношении компонентов.
Если щелочь в недостатке, взаимодействие замрет, не дойдя до конца. Идти до него долго, ведь реакция многоступенчатая, как собственно, и с аммиаком.
Сначала, получается дигидроортофосфат с формулой NH4H2PO4. Потом, с аммиаком реагирует уже дегидроортофосфат, образуя гидрофосфат аммония.
Специфическая для героини статьи реакция – постепенная потеря воды при нагреве. Сначала, получается пирофосфорная, а потом и тетраметофосфорная.
Возможна и обратная реакция фосфорной кислоты. Она получается из тетраметафосфорной при растворении в воде 5-го оксида фосфора.
Добыча фосфорной кислоты
Фосфор – один из самых распространенных элементов земной коры. В списке из 20-ти позиций он находится на 11-ом месте.
Красный и черный во взаимодействия вступают с неохотой. Тем не менее, за счет распространенности вещества, на Земле хватает минералов, его содержащих.
Последняя дороже, требует громоздкой аппаратуры и дает загрязненную кислоту.
Суть метода в окислении фосфора до фосфорного ангидрида. Его газы охлаждают, гидротируют и фильтруют.
Производство фосфорной кислоты двухступенчатым способом отличается избирательным окислением фосфора.
Окись углерода остается в стороне. Полученный ангидрит фосфора взаимодействует с водой, «рождая» метакислоту. Для этого нужен нагрев до 800-от градусов Цельсия.
Метафосфорная кислота находится в парообразном состоянии. Остается гидрировать ее и получить ортотуман.
Есть ряд промежуточных реакций, которые могут довести до формирования низших окислов, к примеру, фосфораватистой кислоты.
Она не входит в планы промышленников. Поэтому, фосфор сжигают в двухкратном избытке кислорода. Его обилие исключает переход ортофосфорной кислоты в низший окисел.
Двухступенчатая реакция, как видно, основана на извлечении соединения из раствора.
Поэтому, итогом реакций становится экстракционная фосфорная кислота, то есть, обычная, но полученная путем экстракции.
Попутно, образуется чистый фосфор, причем сразу в двух формах. Обе нужны промышленникам и, это еще один плюс двухступенчатой добычи.
Применение фосфорной кислоты
Фосфор нужен не только человеческому организму, но и растениям. Без биогенного элемента у них плохо созревают семена, плоды, в общем, тормозится репродуктивная функция.
Поэтому, 80, а по некоторым данным и 90% фосфорной кислоты применение находят в сельском хозяйстве. Основные поставщики удобрений – Морокко, Россия и США.
От питания растений перейдем к питанию человека. Фосфорная кислота – официально зарегистрированная пищевая добавка.
Ее обозначение – Е338. Примешивается не только к газировкам, но и мармеладу, колбасам, хлебобулочным изделиям, даже к сахару.
Последний продукт реагент осветляет. Желтоватый сахар, как известно, не в почете. Остальные позиции Е338 подкисляет, усиливает вкус.
Все бы ничего, но остаток фосфорной кислоты, перебрасываемый в сферу питания, все увеличивается.
Постоянное употребление Е338 повышает кислотность организма. Нейтрализовать ее удается путем вымывания из костей и зубов кальция.
Его организму требуется единица, а фосфора, как говорилось, на 50% больше. Но, с современными продуктами питания это не 50, а все 150%.
Теперь к животным. Они тоже нуждаются в фосфоре, но продуктов с Е338 не покупают.
Поэтому, ортофосфорную кислоту животным дают ветеринары. Они советуют соединение в качестве профилактического средства от камней в почках.
Пригождается ортофосфорная кислота и в деревообрабатывающей промышленности. Соединение используют в качестве пропитки.
После обработки древесина теряет горючесть. К пламени, так же, устойчивы лакокрасочные смеси с фосфорной кислотой. В пенопласт ее тоже добавляют.
Фосфорная кислота способна смягчить воду. Не удивительно, что реагент входит в состав средств от накипи и некоторых моющих составов.
Своеобразному мытью подвергают и зубы, предназначенные под коронки. Протезы садятся на клей, а он лучше держится на поверхности, обработанной фосфорной кислотой.
Героиня статьи легко разъедает ржавчину. Поэтому, в кустарных условиях с помощью реагента снимают окисленные детали, гайки.
Достаточно капнуть на них кислотой и подождать около получаса. Элемент легко подастся.
Капают, обычно, не чистым соединением, а смесями для гидроусилителей, или тормозной жидкостью. В их составе всегда есть фосфорная кислота.
Цена фосфорной кислоты
Купить фосфорную кислоту можно и по 100 рублей за кило, и по 40. Причем, последний ценник выставлен одним из производителей за улучшенный состав марки «И».
Она соответствует ТУ 113-25-65-01-88. Единственный нюанс, под маркой «И» скрывается 72-ух, а не 85-процентная кислота.
Ценник в 100 рублей выставляется за последнюю. По сути, запросы продавцов зависят от их личных амбиций, чистоты реагента, его концентрации и формы поставок.
Оптовикам предлагают скидки в районе 10-20%. Канистры, обычно, вмещают 35 килограммов кислоты. На Российском рынке она либо китайская, либо отечественная.
В малых объемах реагент продается, к примеру, в виде флюса для пайки. 10-миллилитровый бутылек стоит в районе 20-ти рублей.
За 30 миллилитров просят 40 рублей. В небольших емкостях реализуют и пищевую кислоту, то есть Е338. За 200 миллилитров просят 200-300 рублей.
Редкое предложение – бутыли по 1,5-2 килограмма. Такие реализует одна из компаний Новокузнецка. За бутыль просят 350 рублей.